CN114328954A - 一种基于核心概念本体的物联网领域本体构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于核心概念本体的物联网领域本体构建方法，属于物联网和语义网结合领域，包括以下步骤：S1：构建核心概念本体：将由物联网领域知识中抽取得到的核心概念作为领域本体的类，自上而下的设计其类与类之间的体系结构；S2：构建核心概念子本体：通过重用、集成或手动创建获取核心概念子本体；S3：通过本体映射的方法建立核心概念本体与核心概念子本体之间的映射关系。本发明提出的方法极大地减少了领域本体构建的工作量，并具有可扩展、易维护等特点。本发明提出的方法极大地减少了领域本体构建的工作量，并具有可扩展、易维护等特点。
Description
技术领域
本发明属于物联网和语义网结合领域，涉及一种基于核心概念本体的物联网领域本体构建方法。
背景技术
随着5G在物联网海量机器类通信(mMTC)中的应用，暴露了物联网领域相关系统在设备、通信技术、协议、数据格式和语义方面的高度异构问题，尽管本体技术在解决这一问题上的优势已经被广泛认知，并逐渐得到应用，但随着物联网的发展，针对单一工程应用的本体已不再能满足要求。当涉及多个方向的语义知识应用时，狭窄的知识本体的可操作性与适配性较差，无法满足应用需求。因此，构建同时满足多个应用领域的物联网领域本体成为必然。
现有关于领域本体构建方法的研究大都依据确定领域范围、抽取该领域中的重要的术语和概念、建立领域知识框架结构、并以领域知识框架为基础定义领域本体的类与类之间的等级体系、描述类的内部结构(属性槽、取值类型)、使用框架描述语言对领域本体进行编码这样的步骤为核心，整体流程不变，只是针对其中一些细节做相应的改进。当领域知识量过大时，对概念和属性的抽取、分类、定义和约束将变得困难。且一旦领域本体被建立，将很难根据需求对其进行扩展。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于核心概念本体的物联网领域本体构建方法，将本体集成与本体映射技术引入领域本体创建的方法中，实现对已有本体的复用，简化领域本体的创建过程，并可根据需求实现本体知识的扩展。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于核心概念本体的物联网领域本体构建方法，包括以下步骤：
S1：构建核心概念本体：将由物联网领域知识中抽取得到的核心概念作为领域本体的类，自上而下的设计其类与类之间的体系结构；
S2：构建核心概念子本体：通过重用、集成或手动创建获取核心概念子本体；
S3：通过本体映射的方法建立核心概念本体与核心概念子本体之间的映射关系。
进一步，步骤S1中，所述核心概念本体的构建是自上而下的设计其类与子类，本体不包含任何属性、实例以及相应的约束，其步骤如下：
S11：确立领域：确定需要构建的领域本体的知识领域，以此作为起点，明确领域本体覆盖的专业范畴；
S12：列举术语：通过查阅领域语料库列举出本领域的所有相关概念以及概念与概念之间的关系，不用在意不同概念之间出现属性或表达上的重复；
S13：建立领域知识框架：按照一定的分类规则以自然语言处理的方式将得到的概念进行分类，细分成不同的知识领域，其中隶属同一工作领域的知识关联性强；然后，对其中的每一个概念的重要性进行对比、评估，抽取出核心概念，直接丢弃相对不重要的概念，从而形成一个领域知识的框架体系，得到领域本体的框架结构；
S14：定义类的层次：以步骤S13得到的核心概念为类，并根据领域知识框架结构确立类与类之间的关系，自顶向下，由领域中最大的概念开始，而后再通过添加子类将这些概念细化。
进一步，步骤S2中，核心概念子本体的获取有如下方式：
S21：若现有研究已存在对应某一核心概念且符合国际相关本体标准，被业内所认可的标准本体，则选择直接重用，将其作为对应核心概念的子本体；
S22：若现有研究已存在对应某一核心概念的子本体，但不唯一，且没有统一的被公认的标准本体，则根据这些异构本体，集成得到对应核心概念的子本体；
S23：若现有研究暂时没有对应核心概念的本体，则通过本体构建的方法重新构建对应的核心概念子本体。
进一步，步骤S3中，本体映射具体流程如下：
S31：输入原本体和目标本体；
S32：获取本体特征；
S33：构建相似度矩阵；
S334：基于概念名称、上下文结构以及属性的概念相似度云计算；
S35：相似度整合；
S36：更新相似度矩阵；
S37：结果集合映射。
本发明的有益效果在于：本发明将当前研究已存在的本体，通过直接重用或者本体集成的方式开创性的应用到领域本体的构建中，实现了本体知识的复用，减少了领域本体创建的工作量。核心概念本体设计为纯粹的类与子类的关系，通过将核心概念子本体映射到核心概念本体的方式代替对属性和约束的直接建立。使得在领域本体需要被扩展的时候，只需在核心概念本体中添加相应的核心概念，并为其映射核心概念子本体即可，弥补传统领域本体构建方法所构建的领域本体难以扩展的缺陷。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明提供的基于核心概念本体的物联网领域本体构建方法模型图；
图2为本发明提供的智慧工厂核心概念本体架构图；
图3为本发明提供的本体映射流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
一种基于核心概念本体的物联网领域本体构建方法。如图1，将本体集成与本体映射技术引入领域本体创建的方法中，实现对已有本体的复用，简化领域本体的创建过程，并可根据需求实现本体知识的扩展。领域本体的构建包含核心概念本体的构建、核心概念子本体的构建、本体映射三个部分。
1.所述核心概念本体的创建是自上而下的设计其类与子类，该本体不包含任何属性、实例以及相应的约束，其步骤如下：
(1)确立领域：首先必须确定需要构建的领域本体的知识领域，以此作为起点，明确领域本体将覆盖的专业范畴。
(2)列举术语：在创建领域本体之初，可以通过查阅领域语料库或其他方式尽可能多的列举出该领域的所有相关概念以及概念与概念之间的关系，不必在意不同概念之间出现属性或表达上的重复。
(3)建立领域知识框架：通过步骤(2)，得到了领域中大量的概念，但这只是一张杂乱无章的词汇表，因此需要按照一定的分类规则以自然语言处理的方式(词汇量较小时则不必要)将它们进行合理分类，细分成不同的知识领域，隶属同一工作领域的知识，其关联性应该比较强。然后，对其中的每一个概念(特别是相近概念)的重要性要进行对比、评估，抽取出核心概念，对那些相对不重要的概念则直接丢弃，从而形成一个领域知识的框架体系，得到领域本体的框架结构。
(4)定义类(核心概念)的层次：以步骤(3)得到的核心概念为类，并根据领域知识框架结构确立类与类之间的关系，自顶向下，由领域中最大的概念开始，而后再通过添加子类将这些概念细化。
2.核心概念子本体视情况可分三种方式获取。
(1)若现有研究已存在对应某一核心概念且符合国际相关本体标准，被业内所认可的标准本体，则选择直接重用，将其作为对应核心概念的子本体。
(2)若现有研究已存在对应某一核心概念的子本体，但不唯一，且没有统一的被公认的标准本体，则根据这些异构本体，集成得到对应核心概念的子本体。
(3)若现有研究暂时没有对应核心概念的本体，则通过本体构建的方法重新构建对应的核心概念子本体。
3.得到核心概念本体以及核心概念对应的子本体后，其作为两个独立的本体，并不能直接使用，需要通过本体映射的方法将核心概念子本体映射到核心概念本体之上，建立两者之间的关系，从而实现领域本体的构建。本体映射流程如下：
(1)输入原本体和目标本体；
(2)获取本体特征；
(3)构建相似度矩阵；
(4)基于概念名称、上下文结构以及属性的概念相似度云计算；
(5)相似度整合；
(6)更新相似度矩阵；
(7)映射结果集。
实施例一：下面将结合物联网智慧工厂领域，进一步阐述本发明。
(1)构建核心概念本体：以物联网智慧工厂领域为例，首先抽取智慧工厂领域内知识，并研究智慧工厂架构模型。将抽取到的领域知识根据智慧工厂架构模型进行分类、确立核心概念以及定义类和类的等级体系。
如图2，智慧工厂主要由五个部分组成：智能生产子系统、物料配送子系统、辅助生产子系统、现场管理子系统、智能中台控制子系统。
智能生产子系统的主要组成及功能：1)智能设备，所有智能设备都有控制器和数据接口，可用于接收并执行智能中台控制系统的指令，回传设备状态和数据到智能中台控制系统，并通过现场总线和工业以太网传递；2)实时检测系统，负责对产品质量的控制点进行识别和检测、统计分类、分析结果，以及向智能中台控制系统反馈实时检测数据；3)智能工位，通过人机交互界面使得生产任务直接下达到具体的设备和班组，工人通过刷卡，实时采集设备、人员、产品、工艺要求、缺陷登记等信息数据，准确跟踪、反馈生产状况；4)安全报警设施，接收来自设备的故障信息和手动报警信息，上报报警状态；5)自动上下料装置，实现物料的自动装料和配送。
物料配送子系统的主要组成及功能：1)智能仓储，可实现与智能中台控制系统集成，以实现物料的自动出入库管理；2)物料配送系统，根据智能中台控制系统的作业指令确定物料需求，并通过智能设备实现物料和半成品的实时自动识别和跟踪定位，以完成物料的自动配送；3)AGV系统，物料配送子系统还包括由括各种AGV机器人(如：激光导向AGV、电磁导向AGV、磁导向AGV等)组成的智能AGV系统。
辅助生产子系统主要组成及功能功能：1)智能编码系统，可对生产过程中的物料、半成品以及成品等进行精确管理，生成唯一的标识码，保证数据采集过程的自动化和数据的精确化；2)安灯系统，一方面保证能够及时反馈产线问题，通过工厂广播、看板展示、手机推送等方式对生产设备的状况、生产加工的情况进行报警或提示；另一方面采集数据，分析并反馈工人、设备、维修、质量等方面的能力和响应，加强现场异常的管理能力；3)错误预防系统，主要防止生产过程的作业失误，避免因此而造成的质量缺陷，以保证产品的质量和作业效率；4)运维管理系统，对智能生产设备进行故障检测、维修以及运行等方面的管理。
现场管理子系统的主要组成以及功能：1)现场调度系统，与智能中台控制系统结合，实现生产计划排成、物料齐全、进度管控、作业指导、完工确认、质量监控、工件信息采集分析等多方面的管理，并通过智慧工厂互联网络，将现场生产信息传输至生产管理的决策者；2)看板系统，可实现智能生产调度和作业指导，将实时生产数据、质量统计、异常通知、产量统计以及效率统计等生产信息实时显示在LED屏、LCD屏、PC、平板、手机等智能设备上，实现智能生产管理的数字化、可视化；3)视频监控系统，可对智能生产系统进行实时监控，及时发现和报警异常信息。
智能中台控制子系统的组成与功能：其主要由分布式数控系统(数据采集和监控控制系统)、智能数据采集设备、工业控制系统、互联网络系统(现场总线/工业以太网)、工业网关等组成。通过对智能生产过程的实时数据采集和分析，可实现生产系统的智能设备、智能工位及其他子系统之间的实时数据感知、传递，达到生产设备的可视化、智能化、自动化的管理。
根据以上智慧工厂架构，即可提取对应领域的核心概念，以核心概念作为核心概念本体的类，确立类(核心概念)与类之间的等级体系，构建出核心概念本体。
(2)构建核心概念子本体：得到核心概念本体之后，开始为核心概念本体的底层核心概念构建子本体。首先可以通过查询在线本体库(如Ontology Engineering Group、DAML等)或调研已有的顶层本体(如Cyc、SUMO、WordNet、FrameNet等)考虑重用或集成。
如视频监控系统的底层概念“传感器”，W3C于2016年发布了对应的标准传感器本体SSN，因此选择直接重用。
如运维管理系统的底层概念“智能诊断”和“故障恢复”，现有研究存在大量相关的异构本体，但缺少业内认可的统一标准本体，即可通过本体集成得到所需要的核心概念子本体。
异构本体的表现形式分为表示层异构、术语层异构和概念层异构，对于表示层异构本体建议统一改用W3C推荐的本体语言OWL；对于术语层异构本体，则采用实体命名的合并与对其消除其异构；对于概念异构本体，则需要对异构概念进行概念重的构。
如辅助生产子系统的底层概念“编码系统”等，当前研究不存在相应的本体，则只能手动构建，构建方法采用现有相对成熟的七步法，本体语言选择OWL。
(3)建立核心概念本体和核心概念子本体之间的映射关系：对两个本体实现概念上的匹配和关联即为本体映射，目标是使它们能够访问同样的接口、对客观事物具有相同解释。例如，核心概念本体(O1)和核心概念子本体(O2)是两个异构本体，要做的是逐一匹配O1与O2中所包含的语义相近的概念，所以映射发现的本质就是通过计算概念之间的相似度来寻找映射关系的过程。
将两个本体作为输入，计算两个本体中概念的相似性，输出两个本体中相似度大于阈值的概念对，实现映射。本体映射的形式化的定义为：
概念A∈O1和概念B∈O2的相似度定义为Sim(A,B)→[0,1]。其中：
当Sim(A,B)＝1，指概念A，B是相同的，
当Sim(A,B)＝0，指概念A，B是不相同的。
映射发现的具体过程为：
a):Map：O1→O2
b):若Sim(e1,e2)>P，那么map(e1)＝e2，P为阈值，e1∈O1，e2∈O2。
也就是说，当e1和e2之间的相似度大于阈值P，那么就生成一次e1和e2的映射。对于所有的元素，都是一个五元组(id,e,e',n,R)，其中：
id是为每个映射单元提供的唯一标识；e和e'指待映射的概念对；n是概念e和e'映射成功与否的置信度(范围取值为[0,1])；R指概念e和e'的属性关系(如：等价、包含、不相关等关系)。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种基于核心概念本体的物联网领域本体构建方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：构建核心概念本体：将由物联网领域知识中抽取得到的核心概念作为领域本体的类，自上而下的设计其类与类之间的体系结构；
S2：构建核心概念子本体：通过重用、集成或手动创建获取核心概念子本体；
S3：通过本体映射的方法建立核心概念本体与核心概念子本体之间的映射关系。
2.根据权利要求1所述的基于核心概念本体的物联网领域本体构建方法，其特征在于：步骤S1中，所述核心概念本体的构建是自上而下的设计其类与子类，本体不包含任何属性、实例以及相应的约束，其步骤如下：
S11：确立领域：确定需要构建的领域本体的知识领域，以此作为起点，明确领域本体覆盖的专业范畴；
S12：列举术语：通过查阅领域语料库列举出本领域的所有相关概念以及概念与概念之间的关系，不用在意不同概念之间出现属性或表达上的重复；
S13：建立领域知识框架：按照一定的分类规则以自然语言处理的方式将得到的概念进行分类，细分成不同的知识领域，其中隶属同一工作领域的知识关联性强；然后，对其中的每一个概念的重要性进行对比、评估，抽取出核心概念，直接丢弃相对不重要的概念，从而形成一个领域知识的框架体系，得到领域本体的框架结构；
S14：定义类的层次：以步骤S13得到的核心概念为类，并根据领域知识框架结构确立类与类之间的关系，自顶向下，由领域中最大的概念开始，而后再通过添加子类将这些概念细化。
3.根据权利要求1所述的基于核心概念本体的物联网领域本体构建方法，其特征在于：步骤S2中，核心概念子本体的获取有如下方式：
S21：若现有研究已存在对应某一核心概念且符合国际相关本体标准，被业内所认可的标准本体，则选择直接重用，将其作为对应核心概念的子本体；
S22：若现有研究已存在对应某一核心概念的子本体，但不唯一，且没有统一的被公认的标准本体，则根据这些异构本体，集成得到对应核心概念的子本体；
S23：若现有研究暂时没有对应核心概念的本体，则通过本体构建的方法重新构建对应的核心概念子本体。
4.根据权利要求1所述的基于核心概念本体的物联网领域本体构建方法，其特征在于：步骤S3中，本体映射具体流程如下：
S31：输入原本体和目标本体；
S32：获取本体特征；
S33：构建相似度矩阵；
S334：基于概念名称、上下文结构以及属性的概念相似度云计算；
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117852637A (zh) * | 2024-03-07 | 2024-04-09 | 南京师范大学 | 一种基于定义的学科概念知识体系自动构建方法与系统 |
| CN117852637B (zh) * | 2024-03-07 | 2024-05-24 | 南京师范大学 | 一种基于定义的学科概念知识体系自动构建方法与系统 |
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